风电机组叶轮平衡性的评估方法和系统与流程

1.本公开涉及风力发电领域，具体地，涉及一种风电机组叶轮平衡性的评估方法和系统。


背景技术：

2.随着风电机组在低风速和海上应用场景下的大叶轮机型越来越多，大叶轮的风载荷平衡度成为关注的问题，目前评价叶轮平衡度主要基于叶片净空、形变、振动和噪声阵列等的方法。
3.然而，这些直接检测叶片形变的方法在测试叶片形变时易受可见度、空气密度和背景噪声等影响，存在不确定性，难以保证对于长柔叶片的复杂形变的测量准确性，且对算法要求较高。


技术实现要素：

4.为了解决现有测试方法在测试叶片形变时易受可见度、空气密度和背景噪声等影响而难以保证的测量准确性的问题，本公开提供以下技术方案。
5.根据本公开的一方面，提供一种风电机组叶轮平衡性的评估方法，所述评估方法包括：获取所述风电机组的发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据；根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选；以及根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。
6.所述根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选的步骤包括：计算风电机组的运行数据的离散分布值δ；以及筛选出所述风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据。
7.所述风电机组的运行数据的离散分布值δ根据下式确定：fs为数据采样率，t0为旋转周期，xi为所述风电机组的运行数据的离散值，为所述风电机组的运行数据的算术平均值。
8.所述筛选出风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据包括以下中的至少一者：筛选出叶轮转速的离散分布值δ小于等于0.1时的轴向位移数据；筛选出风切变的离散分布值δ小于等于0.24时的轴向位移数据；筛选出湍流的离散分布值δ小于等于0.25时的轴向位移数据；以及筛选出风速的离散分布值δ小于等于0.5时的轴向位移数据。
9.所述根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性的步骤包括：对所述筛选出的轴向位移数据执行滤波处理，以滤除相对于3倍叶轮旋转频率的高频噪声信号；以及根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮平衡性。
10.所述根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性的步骤包括：根据滤波处理后的
轴向位移数据确定叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值；以及根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度。
11.所述根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度包括：根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值和所述动轴的被测端面的表面误差δra确定所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值，根据所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度r，其中，y(θ)为相对于旋转角度θ的被测端面不平整波动的函数，n为预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值的数量，a’ti
为叶轮实际轴向位移数据峰值，为叶轮实际轴向位移数据峰值的算术平均值。
12.根据本公开的另一方面，提供一种风电机组叶轮平衡性的评估系统，所述评估系统包括：设置于所述风电机组的发电机的定子部分上的位移传感器，用于检测发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据；控制器，配置为用于获取所述风电机组的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据，根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选，以及根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。
13.控制器配置为用于计算风电机组的运行数据的离散分布值δ；以及筛选出所述风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据。
14.所述控制器配置为用于根据以下中的至少一者进行筛选：筛选出叶轮转速的离散分布值δ小于等于0.1时的轴向位移数据；筛选出风切变的离散分布值δ小于等于0.24时的轴向位移数据；筛选出湍流的离散分布值δ小于等于0.25时的轴向位移数据；以及筛选出风速的离散分布值δ小于等于0.5时的轴向位移数据。
15.所述控制器配置为用于对筛选出的轴向位移数据执行滤波处理，以滤除相对于3倍叶轮旋转频率的高频噪声信号；以及根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮平衡性。
16.所述控制器配置为用于根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值；以及根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度。
17.所述控制器配置为用于根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值和所述动轴的被测端面的表面误差δra确定所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值，根据所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度r。
18.所述定子部分包括定轴以及设置在定轴的端面处的端盖，所述位移传感器设置于所述端盖的外侧，用于检测所述动轴的轴向端面的轴向位移数据。
19.根据本公开的一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法。
20.根据本公开的一方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法。
21.根据本公开的一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述
的风电机组叶轮平衡性的评估系统。
22.本公开测量叶轮旋转部分和固定部分的轴向位移变化，通过非接触式高精度位移传感器直接获取在载荷作用下的轴向位移变化数据，传感器静止不旋转，数据精度高且安装方便。
附图说明
23.根据以下结合附图和具体实施方式，本公开的以上和其他方面、特征和优点将更清楚地理解，在附图中：
24.图1是根据实施例的风电机组叶轮平衡性的评估方法的流程图；
25.图2是筛选后的轴向位移数据的曲线图；
26.图3是滤波后的轴向位移数据的曲线图；以及
27.图4是用于风机叶轮平衡度检测的位移传感器布置示意图。
具体实施方式
28.提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本技术的公开内容之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种变型、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于在此所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本技术的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。为了使本领域技术人员能够更好的理解本公开，下面结合附图对本公开的具体实施例进行详细描述。
29.本公开意在基于轴系位移变化来评估叶轮平衡性，轴系是风电机组中承担叶轮主要载荷的结构总成，可包括动轴、定轴、前轴承、后轴承、联轴器和齿轮箱等。风电机组的主轴系在轴向上的位移是微小的，测量微小位移变化相对于叶轮载荷不平衡度有较高的敏感性，因此通过测量叶轮不平衡引起的轴系相对位移微小变化，反映到位移曲线周期内的峰值变化，可间接完成对叶片不平衡评估而不用直接测试叶片的形变。
30.轴系位移：对于单列双圆锥滚子轴承(trb)轴系的动轴和定轴在轴向上的相对位置变化量。
31.叶轮平衡度/平衡性：三只叶片在旋转过程中稳定性、质量和气动力上的一致性。
32.图1是根据实施例的风电机组叶轮平衡性的评估方法的流程图。
33.参照图1，根据本公开的实施例的风电机组叶轮平衡性的评估方法包括如下步骤：
34.在步骤101，获取风电机组的发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据。风电机组的发电机可设置有位移传感器以用于检测发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据。
35.在步骤102，根据风电机组的运行数据对轴向位移数据进行筛选。轴向位移数据的波动与叶轮平衡性相关，同时叶轮旋转过程中的瞬时载荷波动也会导致轴向位移数据的波动。因此考虑到风载荷变化的影响，需根据风电机组的运行数据中的风速、风切变、湍流和叶轮转速等对轴向位移数据进行筛选。
36.详细地，筛选步骤可包括计算风电机组的运行数据的离散分布值δ。风电机组的运行数据的离散分布值δ根据下式确定：
[0037][0038]
其中，fs为数据采样率，t0为旋转周期，xi为风电机组的运行数据的离散值，为风电机组的运行数据的算术平均值。
[0039]
为了降低转速r和风速等的波动导致的影响，可根据运行数据的离散分布值δ的预定阈值筛选出风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据。筛选出风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据包括以下中的至少一者：筛选出叶轮转速的离散分布值δ小于等于0.1时的轴向位移数据；筛选出风切变的离散分布值δ小于等于0.24时的轴向位移数据；筛选出湍流的离散分布值δ小于等于0.25时的轴向位移数据；以及筛选出风速的离散分布值δ小于等于0.5时的轴向位移数据。可选地，风切变的离散分布值δ可小于等于0.12。上述预定阈值范围表示风切变、转速等运行数据变化不大。
[0040]
在步骤103，根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。在理想平衡状态下三支叶片的轴向位移数据的波动幅值均衡一致，无明显差异，并且波动曲线对应于旋转频率p和旋转频率p的三倍(即，3p频率)的波动幅值特征均无明显区别。如果由于制造或控制原因(气动、质量或失速等)导致叶片载荷存在差异，将产生波动幅值上的差异性，曲线波动幅值的差异越大则叶轮平衡性越差。
[0041]
根据实施例的风电机组叶轮平衡性的评估方法能够通过在动轴与定轴之间的位移传感器测量动轴和定轴在旋转期间的位移变化，在现有的用于评估轴系间隙变化的传感器的基础上同时将传感器数据用于评估叶轮平衡性，而不需要附加的测试设备。
[0042]
可选地，考虑到在并网状态下轴向位移数据的波形中存在背景噪声以及高频杂波，为了更好提取幅值，在此可对轴向位移数据进行低通滤波处理。根据实施例，可对筛选出的轴向位移数据执行滤波处理，以滤除相对于3倍叶轮旋转频率的高频噪声信号，然后根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮平衡性。例如，当旋转频率的三倍对应于0.5hz时，滤波器的下限阈值可以是1.0hz。
[0043]
图2是筛选后的轴向位移数据的曲线图，图3是滤波后的轴向位移数据的曲线图。参照图2和图3，示出了滤波前后的轴向位移数据的幅值特性曲线的差异。
[0044]
此外，根据实施例，可根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值；以及根据叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度。
[0045]
例如，可根据叶轮在预定旋转周期内的3个轴向位移数据峰值和动轴的被测端面的表面误差δra确定叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值：
[0046][0047]ai’＝a
i-δra
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0048]
其中，y(θ)是被测端面相对于旋转角度θ的不平整波动的函数，单个旋转周期对应于3个轴向位移数据峰值ai(i＝1,2,3)，由此得到实际的轴向位移数据峰值a
i’。
[0049]
对于长周期测试，为了消除随机性，可根据叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值的统计确定叶轮不平衡度r：
[0050][0051]
其中，n为预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值的数量，a’ti
(t＝1,2,3)为叶轮实际轴向位移数据峰值，为叶轮实际轴向位移数据峰值的算术平均值。r值越接近0说明状态越好，反之叶轮越不平衡。
[0052]
图4是用于风机叶轮平衡度检测的位移传感器布置示意图；
[0053]
参照图4，根据本公开的实施例的风电机组叶轮平衡性的评估系统可包括位移传感器5和控制器(未示出)。
[0054]
位移传感器5设置于风电机组的发电机的定子部分上，用于检测发电机的动轴2在叶轮旋转时的轴向位移数据。本实施例的发电机可以是直驱机型并且发电机转子(未示出)设置在动轴2内部，发电机的定子部分可包括定轴3以及设置在定轴3的端面上的端盖4。位移传感器5可以是高精度位移传感器。位移传感器5可通过支架设置在定子部分的端盖4上，位移传感器5可设置于端盖4的外侧，用于检测动轴的轴向端面的轴向位移数据，例如，可检测动轴2的轴向端面相对于端盖4的距离变化。
[0055]
叶轮法兰1上可设置有三支叶片，叶轮在风载荷的作用下驱动动轴2相对于定轴3旋转。风载荷的作用还可使动轴2相对于定轴3在轴向上发生微小位移，检测这样的微小位移可对应于每个叶片的载荷变化。为此，可将动轴2端面设置为位移传感器5的被测面。在叶轮的一个旋转周期t0内可通过位移传感器5检测到3个位移数据的峰值ai，因此位移数据的波形变化可表现为旋转频率p的三倍，即，3p频率。
[0056]
控制器可配置为用于获取风电机组的动轴2在叶轮旋转时的轴向位移数据，根据风电机组的运行数据对轴向位移数据进行筛选，以及根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。
[0057]
控制器可进一步配置为用于计算风电机组的运行数据的离散分布值δ；以及筛选出风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据。
[0058]
控制器可进一步配置为用于根据以下中的至少一者进行筛选：筛选出叶轮转速的离散分布值δ小于等于0.1时的轴向位移数据；筛选出风切变的离散分布值δ小于等于0.24时的轴向位移数据；筛选出湍流的离散分布值δ小于等于0.25时的轴向位移数据；以及筛选出风速的离散分布值δ小于等于0.5时的轴向位移数据。可选地，风切变的离散分布值δ可小于等于0.12，湍流的离散分布值δ可小于等于0.1。
[0059]
控制器可进一步配置为用于对筛选出的轴向位移数据执行滤波处理，以滤除相对于3倍叶轮旋转频率的高频噪声信号；以及根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮平衡性。
[0060]
控制器可进一步配置为用于根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值；以及根据叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度。
[0061]
控制器可进一步配置为用于根据叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值和动
轴的被测端面的表面误差δra确定叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值，根据叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度r。
[0062]
根据本公开的实施例，还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本公开的风电机组叶轮平衡性的评估方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
[0063]
根据本公开的一方面，还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本公开的风电机组叶轮平衡性的评估方法的计算机程序。
[0064]
根据本公开的一方面，还提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上的风电机组叶轮平衡性的评估系统。
[0065]
本公开的实施例在评估轴系间隙的同时可对叶轮平衡性做出评估。通过在动轴与定轴之间的位移传感器测量动轴和定轴在旋转期间的位移变化，在现有的用于评估轴系间隙变化的传感器的基础上同时将传感器数据用于评估叶轮平衡性，而不需要附加的测试设备。
[0066]
以上对本公开的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本公开的权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述评估方法包括：获取所述风电机组的发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据；根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选；以及根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。2.根据权利要求1所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选的步骤包括：计算风电机组的运行数据的离散分布值δ；以及筛选出所述风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据。3.根据权利要求2所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述风电机组的运行数据的离散分布值δ根据下式确定：fs为数据采样率，t0为旋转周期，x
i
为所述风电机组的运行数据的离散值，为所述风电机组的运行数据的算术平均值。4.根据权利要求3所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述筛选出风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据包括以下中的至少一者：筛选出叶轮转速的离散分布值δ小于等于0.1时的轴向位移数据；筛选出风切变的离散分布值δ小于等于0.24时的轴向位移数据；筛选出湍流的离散分布值δ小于等于0.25时的轴向位移数据；以及筛选出风速的离散分布值δ小于等于0.5时的轴向位移数据。5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性的步骤包括：对所述筛选出的轴向位移数据执行滤波处理，以滤除相对于3倍叶轮旋转频率的高频噪声信号；以及根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮平衡性。6.根据权利要求5所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性的步骤包括：根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值；以及根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度。7.根据权利要求6所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法，其特征在于，所述根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度包括：根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值和所述动轴的被测端面的表面误差δra确定所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值，根据所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度r，其中，y(θ)为相对于旋转角度θ的被测端面不平整波动的函数，
n为预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值的数量，a’ti
为叶轮实际轴向位移数据峰值，为叶轮实际轴向位移数据峰值的算术平均值。8.一种风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，所述评估系统包括：设置于所述风电机组的发电机的定子部分上的位移传感器，用于检测发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据；控制器，配置为用于获取所述风电机组的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据，根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选，以及根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。9.根据权利要求8所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，控制器配置为用于计算风电机组的运行数据的离散分布值δ；以及筛选出所述风电机组的运行数据的离散分布值δ满足预定阈值时的轴向位移数据。10.根据权利要求9所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，所述控制器配置为用于根据以下中的至少一者进行筛选：筛选出叶轮转速的离散分布值δ小于等于0.1时的轴向位移数据；筛选出风切变的离散分布值δ小于等于0.24时的轴向位移数据；筛选出湍流的离散分布值δ小于等于0.25时的轴向位移数据；以及筛选出风速的离散分布值δ小于等于0.5时的轴向位移数据。11.根据权利要求8至10中的任意一项所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，所述控制器配置为用于对筛选出的轴向位移数据执行滤波处理，以滤除相对于3倍叶轮旋转频率的高频噪声信号；以及根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮平衡性。12.根据权利要求11所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，所述控制器配置为用于根据滤波处理后的轴向位移数据确定叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值；以及根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度。13.根据权利要求12所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，所述控制器配置为用于根据所述叶轮预定旋转周期内的轴向位移数据峰值和所述动轴的被测端面的表面误差δra确定所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值，根据所述叶轮预定旋转周期内的实际轴向位移数据峰值确定叶轮不平衡度r。14.根据权利要求8所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统，其特征在于，所述定子部分包括定轴以及设置在定轴的端面处的端盖，所述位移传感器设置于所述端盖的外侧，用于检测所述动轴的轴向端面的轴向位移数据。15.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法。16.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7中任意一项所述的风电机组叶轮平衡性的评估方法。17.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求8至14中任意
一项所述的风电机组叶轮平衡性的评估系统。

技术总结
本公开提供一种风电机组叶轮平衡性的评估方法和系统。所述风电机组叶轮平衡性的评估方法包括：获取所述风电机组的发电机的动轴在叶轮旋转时的轴向位移数据；根据风电机组的运行数据对所述轴向位移数据进行筛选；以及根据筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。筛选出的轴向位移数据确定叶轮平衡性。


技术研发人员：彭昶 靖峰 谢生清 郑国龙
受保护的技术使用者：新疆金风科技股份有限公司
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13